[论文解读] Correlating new physics signals in $B o D^{(*)} τν_τ$ with $B o τν_τ$

Soumitra Nandi, Sunando Kumar Patra+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文提出了一种新可观测量 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$，用于将 $B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$ 中的新物理信号与纯轻子衰变 $B\to\tau\nu_{\tau}$ 相关联，从而降低 $\tau$ 粒子识别带来的系统误差。分析表明该可观测量与标准模型一致，暗示新物理可能隐藏于当前实验误差之中，并强调了精确测量 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 对未来新物理搜索的重要性。

ABSTRACT

Semileptonic and purely leptonic decays of B meson to $τ$, such as $B o D^{(\ast)}τν_τ$ and $B oτν_τ$ are studied. Recognizing that there already were some weak hints of possible deviations from the SM in the measurements of $\mathcal{B}(B oτν_τ)$ by \Babar~and Belle and the fact that detection of the $τ$ also occurs in the measurements of $B o D^{(\ast)}τν_τ$, we stress the importance of joint studies of these processes, whenever possible. For this purpose, as an illustration, we introduce the observable, $\mathcal{R}(D^{(*)})/\mathcal{B}(B oτν_τ)$ where, for one thing, the unknown systematics due to $τ$ identification are expected to largely cancel. We show that all measurements of this observable are consistent with the existing data, within somewhat largish experimental errors, with the predictions of the SM. We stress that precise experimental measurement and comparison with theory of the branching ratio for $B o τν_τ$ is extremely important for a reliable search of new physics. Furthermore, in view of the anticipated improved precision in experiments in the next few years, in addition to $\mathcal{R}(D^{(*)})$, host of other ratios analogous to $\mathcal{R}(D^{(*)})/\mathcal{B}(B o τν_τ)$ in the SM are suggested for lattice calculations as well, so that for more stringent tests of the SM, correlations in lattice calculations can be properly taken into account to enhance precision.

研究动机与目标

• 通过引入一个能抵消 $\tau$ 粒子识别误差的比值，将 $B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$ 与 $B\to\tau\nu_{\tau}$ 衰变相关联，以减少新物理搜索中的系统不确定性。
• 评估 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 偏离标准模型的偏差是否可能被未知系统误差或新物理抵消所掩盖。
• 强调精确实验测量 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 对可靠探测新物理的迫切需求。
• 建议类似地利用格点计算得到的比值（例如 $R_{\tau}^{M^{(*)}}$）以提升未来标准模型检验的精度，并合理考虑相关性。

提出的方法

• 引入可观测量 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$，以在 $B\to D^{(*)}\tau\nu_{\tau}$ 与 $B\to\tau\nu_{\tau}$ 之间抵消 $\tau$ 粒子识别的系统误差。
• 分析 BaBar、Belle 和 LHCb 的现有数据，检验 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 与标准模型的一致性。
• 对类型-II 2HDM 在 $\tan\beta$–$m_{H^+}$ 平面内进行模型依赖性分析，比较 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 与 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 所提供的约束。
• 提出新的包含型比值（如 $R_{\tau}(X_c)$）用于探测 $b\to X_c\tau\nu_{\tau}$ 中的新物理。
• 建议对 $B$ 和 $B_s$ 衰变进行格点计算类似比值（如 $R_{\tau}^{M^{(*)}}$），以正确处理相关性并提升精度。
• 利用 Belle II 预期数据量增加（25–50 倍）的推论，论证其将显著提升对 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 及相关可观测量的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 比值 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)}) = \mathcal{R}(D^{(*)}) / \mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 是否能减少新物理搜索中的系统不确定性？
• RQ2 当与 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 结合时，BaBar 观测到的 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 偏离是否与标准模型一致？
• RQ3 新物理贡献在 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 中可能在多大程度上相互抵消，从而掩盖物理信号？
• RQ4 从 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 得到的类型-II 2HDM 参数空间约束是什么？与 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 的约束相比如何？
• RQ5 如何通过格点计算类似比值（如 $R_{\tau}^{M^{(*)}}$）提升标准模型检验的精度？

主要发现

• 可观测量 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 在实验误差范围内与标准模型一致，尽管 BaBar 曾报告 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 存在张力。
• 分析表明，$m_{H^+} > 500~\text{GeV}$ 且 $\tan\beta < 25$ 的类型-II 2HDM 模型依然可行，与 BaBar 在 99.8% 置信水平下的排除结果相矛盾。
• $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 对 $\tan\beta$–$m_{H^+}$ 平面的约束与 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 的结果一致，表明后者的探测能力是可靠的。
• 对于 $\mathcal{B}(B\to\pi\tau\nu_{\tau})/\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$，目前仅有上限，因此 $\tan\beta \approx 100$ 的大值仍被允许。
• 提出包含型比值 $R_{\tau}(X_c)$ 作为探测工具，且对 2HDM-II 参数空间的约束主要由 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 主导。
• 未来 Belle II 和 LHCb 的高精度测量将显著降低不确定性，使 $\mathcal{B}(B\to\tau\nu_{\tau})$ 成为新物理探测的关键基准。